直到現(xiàn)在，日本明石海峽大橋依然保持著全球最長(zhǎng)懸索橋的記錄。它是如何建成的？

明石海峽大橋（1991m，1998年，日本）

日本明石海峽大橋是全球最長(zhǎng)吊橋，位于日本神戶和離島之間。大橋主跨1991m，橋塔高298.3m，橋梁全長(zhǎng)3911m。它橫跨4km寬的水路，迄今為止，強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)、地震、海嘯都未對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞。

明石海峽大橋結(jié)構(gòu)圖

明石海峽大橋?yàn)楹文芙ㄔO(shè)得如此之長(zhǎng)？讓我們從18世紀(jì)的英國(guó)談起。

全新鋼材：鑄鐵與鋼

18世紀(jì)末的英國(guó)，已經(jīng)在工業(yè)革命的影響下改頭換面，然而在什羅普郡鄉(xiāng)間，當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展卻受到賽文河的阻礙。渡輪不足以應(yīng)付兩岸暴增的人貨往來，解決的辦法是建一座橋，但這并不容易辦到。

這條河只有30m寬，傳統(tǒng)做法是建造一座石拱橋。這是源自羅馬時(shí)代的古老方式。但對(duì)于這一類橋梁，30m的跨度幾乎就是極限。石拱要加寬，橋梁的高度也得增加。因?yàn)橐ＷC橋梁的強(qiáng)度，橋拱必須要達(dá)到一定弧度。這樣做的代價(jià)就是：橋拱的尺寸翻一倍，所用的石材就得增加7倍。橋拱承受的重量太大，橋梁注定被壓垮。

怎樣才能既保證質(zhì)量又提升橋梁的規(guī)模？最好的辦法是找到新的建材，既具有石材的強(qiáng)度和承重能力，質(zhì)量又輕。

當(dāng)時(shí)，人們已在制造廚具等小玩意時(shí)用到一種頗具潛力的材料，即加熱后熔化成液體狀的鐵。把融化的金屬倒進(jìn)模子，冷卻后脫模即可成形鑄鐵。但這種鑄鐵并不適合造橋。因?yàn)樗瓦M(jìn)火爐的焦炭含有雜質(zhì)，燒出的鐵因太脆而容易斷裂。后來，什羅普郡一家鑄造廠的工人發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐慕固抠|(zhì)量純粹，煉出的鐵強(qiáng)度高，用途廣泛。

1779年，全球第一座鑄鐵橋開始動(dòng)工。這座橋由170塊預(yù)鑄鐵件構(gòu)成，5條半圓形的拱肋組成30m長(zhǎng)的橋拱。由于用鐵取代了石塊，整座橋僅重380t，人們將這座橋命名為“鐵橋”。

鐵橋（30m，1779年，英國(guó)）

日本工程師明白，必須盡量讓橋梁保持輕盈。于是他們像當(dāng)年的鐵橋建造者一樣，使用了柵格狀的預(yù)鑄鑄鐵件。但因規(guī)模巨大，仍然用了25萬t的鋼材。而鋼有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，易生銹。每年都有臺(tái)風(fēng)經(jīng)過明石海峽，為了維護(hù)大橋的安全，專門有機(jī)器人負(fù)責(zé)找出橋上生銹的地方，并重新為這些受損部分刷漆，橋下吊著三個(gè)龍門架，工人可以方便地展開維修，車流也不會(huì)受干擾。

機(jī)器人檢修結(jié)構(gòu)受損

鐵橋證明了工程師可以用鐵取代石材，打造出超過30m的橋梁，不過要橫跨177m的梅奈海峽，似乎就沒那么簡(jiǎn)單。這需要天分以及從前人那里獲取足夠的經(jīng)驗(yàn)。

19世紀(jì)，威爾士的梅奈海峽是人們前往愛爾蘭時(shí)可怕的障礙。接受橫越這條詭譎水道任務(wù)的工程師名叫托馬斯·特爾福德，一位62歲自學(xué)成才的蘇格蘭人。他考慮用鑄鐵蓋一座拱橋。但這樣做，施工中肯定會(huì)用到腳手架來支撐橋拱，往來船只便會(huì)受到阻礙。規(guī)劃師不接受該做法，他只好從原始的橋梁設(shè)計(jì)中尋找靈感。

托馬斯·特爾福德

梅奈海峽大橋（177m，1827年，威爾士）

繩橋自古就被當(dāng)作過河的工具，任何形式的橋梁最大的關(guān)鍵都是錨固點(diǎn)。要建造真正的現(xiàn)代吊橋，工程師必須解決橋面下沉的問題。解決方法是用石塔吊橋，將繩索往下拉，將橋面拉平。問題是如何在兩端固定鐵鏈？將錨具固定在巖石中是一個(gè)方法。

梅奈海峽大橋是現(xiàn)代吊橋的第一件杰作，也為未來的橋梁發(fā)展照亮了曙光。而為明石海峽大橋進(jìn)行錨固，日本工程師面臨的挑戰(zhàn)更為艱巨。

大橋懸索用的不是鐵鏈，而是厚重的鋼纜。與梅奈海峽不同，這里沒有堅(jiān)固的巖石可供固定。只能在海岸線上打造錨固點(diǎn)。

他們挖了一個(gè)巨洞來打造橋基，灌注了23萬m3的混凝土。接著又運(yùn)來巨大的金屬構(gòu)架，這些構(gòu)架必須牢牢固定住錨固橋梁的鋼纜，所以必須用混凝土包裹，他們分別澆灌了5個(gè)混凝土砌塊，砌塊之間的縫隙可以散熱，避免混凝土龜裂，等凝固之后，再進(jìn)一步用混凝土填滿空隙，最后建筑的實(shí)心砌塊高度超過50m。

梅奈海峽大橋讓橋梁設(shè)計(jì)師見識(shí)了興建大型橋梁的新工法。而1851年美國(guó)工程師在修建吊橋橫跨尼加拉瀑布250m的峽谷時(shí)面臨的困難更艱巨，該吊橋須承載300t重火車，因此，強(qiáng)度與長(zhǎng)度一樣重要。

諸如特爾福德所用的大鐵鏈看起來堅(jiān)實(shí)無比，但薄弱環(huán)節(jié)會(huì)令鐵鏈強(qiáng)度變得有限。曾發(fā)生的悲劇證明這一點(diǎn)。

1845年在英格蘭城鎮(zhèn)的大雅茅斯，約300人同時(shí)擠上一座吊橋觀賞馬戲團(tuán)的特技表演，此時(shí)一群鵝拉著坐在筒子里的男人在游泳。當(dāng)游到橋附近時(shí)，觀眾們?yōu)榱丝吹酶宄紦頂D到了橋的一邊，重量突然轉(zhuǎn)移，鐵鏈負(fù)荷過重而斷裂。橋面墜落到河中，造成79人身亡，其中59人是兒童。

大雅茅斯塌橋事件

6年后負(fù)責(zé)在尼亞加拉峽谷建橋的工程師需要比鐵鏈更加堅(jiān)固的材料來支撐橋面。因?yàn)樵摌蛄哼€得額外承載火車的重量。如果將鐵拉成一股細(xì)絲，強(qiáng)度就會(huì)增加。

工程師計(jì)算后得知：大約3500條鐵絲構(gòu)成的纜索足以承受橋梁和火車的重量。但900t重的纜索工人們根本吊不起來，工程師想到一次運(yùn)送兩股鐵絲的辦法。將一圈鐵絲用滑輪拉到峽谷對(duì)岸，到對(duì)岸后把鐵絲拴在錨具上，然后把滑輪送回來再掛上一圈鐵絲。運(yùn)送完1820趟后，一條鐵纜才得以制成。每條鐵纜由3640條鐵絲構(gòu)成，4條鐵纜吊住大橋。

1855年，尼亞加拉瀑布大橋通車。第一列由美國(guó)駛往加拿大的火車順利通過。這座橋早經(jīng)歷過翻新，但用纜索支撐橋面的做法后人仍然在繼續(xù)使用。

尼亞加拉瀑布大橋（251m，1855年，加拿大）

鋼纜越強(qiáng)有力，工程師建造的橋梁?jiǎn)我豢缍染驮酱?。但有的水路太寬，單跨橋梁不可能?shí)現(xiàn)。此時(shí)，索塔就得建到河中央，深入到河床中。

全新工法：水底施工與蜂巢結(jié)構(gòu)

1874年，工程師計(jì)劃興建一座大橋，連接布魯克林與曼哈頓?？墒清^固橋墩是個(gè)大問題。

19世紀(jì)的紐約是全美發(fā)展最快的城市之一。然而城市的快速擴(kuò)張受到了群島地理?xiàng)l件的限制。早在摩天大樓出現(xiàn)之前，曼哈頓島就要為鄰近地區(qū)的工人提供勞務(wù)。蓋一座橫跨600m寬東河的橋梁成為必須。單跨橋梁根本跨不過去，不得不在河中興建橋墩。

這條河流在曼哈頓邊深達(dá)9m，巖床上方壓著淤泥和污物。在污泥上興建橋塔，塔基會(huì)很不穩(wěn)定，為了穿過淤泥，鑿開地下的巖床，工人必須24h在水底工作。工程師想出了一個(gè)沉箱的解決方案。將以厚木板打造的巨大箱形結(jié)構(gòu)落在河床上，為125位工人提供作業(yè)空間。箱形結(jié)構(gòu)壁面往下逐漸變細(xì)，最下部邊緣非常銳利，用來切開淤泥。

沉箱在陸地上建好，用強(qiáng)大的拖船拖入河中。工程師用數(shù)噸重的花崗巖砌塊將沉箱下沉到河底。但在工人進(jìn)入沉箱施工之前，必須把沉箱里的水抽干，避免河水再度涌入。

1883年5月24日，布魯克林大橋誕生了。

布魯克林大橋（486m，1883，美國(guó)）

日本明石海峽大橋建造難度更高。工程師必須在60m深的明石海峽中打造塔基。可以用巨型挖泥船開挖海床地基。不過日本人的塔基還是由沉箱構(gòu)成。沉箱高70m，寬80m，由鋼材而非木材制成。

由于體積太大，每只沉箱要?jiǎng)佑?2艘拖船才能在挖開的海床上定位。沉箱有外墻和內(nèi)墻兩層，中間是環(huán)形分隔倉(cāng)，使之浮在海面上。為使沉箱下沉，工程師在分隔倉(cāng)中灌入海水。一旦在海床上定位，中央密封艙海水便會(huì)立即排出。此時(shí)，注入潮濕的混凝土，這種特制的混凝土在水中也能保持凝聚力。最后在沉箱上做好混凝土加蓋，整根墩柱就完成，隨時(shí)作為塔基使用。

沉箱挖的越深，橋梁就能建的越長(zhǎng)。不過要橫越1.6km里的金門海峽，連接舊金山市和鄰近的瑪林縣，造橋者還得設(shè)法蓋出更高的橋塔才行。

第一次世界大戰(zhàn)后的10年時(shí)間，海峽灣區(qū)的交通流量暴增了7倍，渡輪已無法應(yīng)付。于是工程師在1933年開始規(guī)劃興建全球最長(zhǎng)的吊橋。任何吊橋要達(dá)到力的平衡，纜索都必須形成某種弧度，為了維持這個(gè)形狀，工程師要加長(zhǎng)車道，橋塔的高度也相應(yīng)增加，極其復(fù)雜的工程學(xué)挑戰(zhàn)隨之而來。

如果跨度是1280m，工程師就得把纜索懸掛在橋面以上152m，橋塔必須高達(dá)270m。然而修長(zhǎng)的橋塔會(huì)被自己的重量壓變形。另一個(gè)選擇是將橋塔蓋得厚實(shí)些?？墒侨魏文軌蚩棺冃蔚氖撞慷贾辽賹?0m，勢(shì)必會(huì)阻礙船只往來，影響橋梁美觀。這座橋的橋塔需要更加堅(jiān)固，更加輕盈的建材。

造橋者沒有選擇石砌塊，而是換成了鋼板。最后以空心豎井取代實(shí)心石塊。橋塔可以從頭到尾保持修長(zhǎng)。鋼材增加了橋塔的柔韌度，使其不會(huì)被纜索壓變形。不過，橋塔升高，建造的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。蜂巢結(jié)構(gòu)要結(jié)合固定好，需要安裝一百多萬枚鉚釘，這是造橋者有史以來第一次戴著安全帽、安全面罩和安全索進(jìn)行作業(yè)。

金門大橋（1280m，美國(guó)，1937年）

如今全球最高的吊橋索塔已經(jīng)非日本明石海峽大橋莫屬。其高度達(dá)到300m，比金門大橋的索塔都高出70m。先進(jìn)的機(jī)器人焊接技術(shù)和150萬顆優(yōu)質(zhì)的老式螺栓，將橋塔牢牢地結(jié)合在一起。

建造更加高的橋塔，能夠讓吊橋跨越更高的距離。但隨著跨度增長(zhǎng)，橋梁扭曲和折彎的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。因此，橋梁設(shè)計(jì)必須經(jīng)受住大自然的某種摧毀力——風(fēng)的考驗(yàn)。

抗風(fēng)與抗震

1940年，華盛頓州橫跨塔科馬海峽的新橋建成通車后，出現(xiàn)一個(gè)致命缺陷，即使風(fēng)勢(shì)不大，橋面也會(huì)上下擺動(dòng)。到后來，橋面開始發(fā)生扭曲，以至于最后，整座橋都倒塌了。

工程師們現(xiàn)在已經(jīng)明白了結(jié)構(gòu)失靈的原因。當(dāng)側(cè)向風(fēng)吹向橋梁時(shí)，氣流受到干擾，橋面上下就會(huì)產(chǎn)生漩渦，各個(gè)區(qū)域由于壓力不同，會(huì)承受向上或者向下不同的作用力。一旦橋面開始移動(dòng)，橋梁也會(huì)隨之開始彎曲，解決方法是將橋面兩側(cè)的輪廓設(shè)計(jì)成流線型。這樣風(fēng)從中間被切開，會(huì)安全地吹向路面上下。

流線型抗風(fēng)設(shè)計(jì)

1946年，工程師考慮用這種設(shè)計(jì)新建一座更長(zhǎng)的新橋。他們必須橫跨紐約港1.6km的入口，穿越韋拉扎諾海峽。由于預(yù)計(jì)往來車流會(huì)很頻繁。工程師設(shè)計(jì)了12條車道，分成上下兩層橋面，但雙層橋面的流線型邊緣或許并不能安全引開風(fēng)勢(shì)，反而還會(huì)造成氣流相撞，造成進(jìn)一步干擾。因此他們決定，與其轉(zhuǎn)移風(fēng)力，不如為橋面加固防風(fēng)屏障。以免橋面扭曲或者折彎。

最有效的加固方法是用一個(gè)大箱子來包裹橋面，但是他們知道橋梁的鋼纜絕對(duì)無法承受住2km長(zhǎng)鋼制箱形物的重量。于是便用纖細(xì)的鋼桿組裝成一個(gè)個(gè)輕質(zhì)鋼骨架組件，再將75個(gè)組件組合成一個(gè)巨型的開放式格狀鋼結(jié)構(gòu)，讓風(fēng)在橋梁里通行無阻。

開放式格狀鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)

這個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)足以抵抗住強(qiáng)大的大西洋暴風(fēng)。支撐12車道的車流也不成問題。每天將近20萬輛車經(jīng)由這座雙層車輛從布魯克林和皇后區(qū)前往斯塔騰島，大西洋的主要公路系統(tǒng)都與之銜接了起來。1964年竣工時(shí)的韋拉扎諾大橋是當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)也最重的吊橋，是現(xiàn)今紐約市的地標(biāo)性建筑之一。

韋拉扎諾大橋是美國(guó)造橋工程一個(gè)偉大時(shí)代的巔峰之作，由于設(shè)計(jì)精良，30多年后，日本人仍采用這種開放式箱形物的概念來加固明石海峽大橋橋面。

韋拉扎諾大橋（1298m，美國(guó)，1964年）

韋拉扎諾大橋的防風(fēng)功能減輕了大型橋梁跨越危險(xiǎn)渡口所受的威脅，但要興建全球最長(zhǎng)的吊橋，工程師還得克服一種足以撼動(dòng)結(jié)構(gòu)根基的自然力量——地震。

日本位于全球地震最為頻繁的地區(qū)之一，由于地質(zhì)不穩(wěn)定，工程師認(rèn)為日本并不適合修建全球最長(zhǎng)的吊橋。如果吊橋下的地底因地震而搖晃，最嚴(yán)重的情況，舉個(gè)例子，整座橋塔都會(huì)傾倒。這樣會(huì)造成巨大災(zāi)難。

對(duì)付地震的第一道防線正是橋塔本身，以鋼材打造的橋塔十分柔韌，一旦發(fā)生地震，鋼塔會(huì)隨地面移動(dòng)，吸收震動(dòng)。第二層防護(hù)則在每個(gè)橋塔的內(nèi)部，那是20個(gè)巨大的擺錘，也即阻尼器。10t重的阻尼器懸掛在支架上，如果地震使得橋塔搖向一邊，巨大的液壓式阻尼器就會(huì)朝反方向擺動(dòng)，抵消晃動(dòng)的力量，防止橋塔倒塌。

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